港理工：“3D打印”冷冻铸造法大规模制备各向异性隔热气凝胶

发布人

Scalable anisotropic cooling aerogels by additive freeze-casting
Kit-Ying Chan, Xi Shen*, Jie Yang, Keng-Te Lin, Harun Venkatesan, Eunyoung Kim, Heng Zhang, Jeng-Hun Lee, Jinhong Yu, Jinglei Yang &amp; Jang-Kyo Kim*
Nat. Commun., 2022, 13, 5553. DOI: 10.1038/s41467-022-33234-8

近年来，由于气候变化导致的全球天气异常，尤其是极端高温天气，已成为人类社会迫在眉睫的威胁。这样的极端高温不仅会对人体健康造成损害，也使得世界许多地区的空调使用量激增，极大的增加了电力能源的消耗，进一步加剧了气候变化。因此，在全球变暖的背景下，降低建筑、交通和食品供应链等各个领域的空调能耗，对于缓解气候变化和实现碳中和至关重要。气凝胶材料因其低密度、高孔隙率和超低的热导率在降低建筑物高能耗方面拥有巨大的潜力。特别是具有高度各向异性结构的气凝胶，其定向排列的通孔结构可有效隔绝径向的热传导，达到远低于空气的热导率。然而，现有报道的各向异性气凝胶的阳光反射率并不理想，在实际应用中需要涂覆额外的反射涂层，以达到日间隔热的作用。此外，各向异性气凝胶通常可由定向冷冻铸造法制备，但由于冰晶生长的物理限制无法实现长程有序通孔的定向排列，极大的阻碍了各向异性气凝胶材料的大规模生产。

香港理工大学沈曦助理教授团队联合香港科技大学Jang-Kyo Kim教授开发了一种增材式冷冻铸造法，成功制备了兼具低导热率和高反射率的大尺寸各向异性隔热气凝胶。受增材制造中连续逐层工艺的启发，新开发的增材式冷冻铸造技术使用可移动的侧面冷源，以逐块定向冷冻的方式实现孔径一致、长程有序排列的面内孔道，实现了实验室规模下面内尺寸大于20厘米且不同区域性能高度一致的气凝胶面板，如图1。该气凝胶由水性聚氨酯和二维氮化硼纳米片（BNNS）制成。BNNS具有高度各向异性的导热特性，可将热量引导至面内方向耗散（即通孔轴向），从而实现16.9 mW/m K的超低面外热导率（比空气的热导率低30%），以有效隔绝从外界向室内的热传导。此外，BNNS独特的光学性质也有助于在BNNS/聚氨酯及固/气界面上实现多种散射机制，从而实现97%的太阳光反射率，以减少由太阳光吸收而产生的热量。由水性聚氨酯和BNNS制作而成的大规模气凝胶板具有高度均匀的热学和光学性能，并拥有超低热导率（＜25 mW/mK）和高阳光反射率（&gt;90%）。在户外测试中，该气凝胶板在阳光直射下用作隔热材料时，能大幅地降低热传导和太阳光吸收，与二氧化硅气凝胶相比，在相同条件下可使测试设备内部的温度降低了 7 °C。这项工作提供了一种全新的自下而上的制备策略，可方便和大规模的制备高度各向异性气凝胶，在建筑、交通及食品冷链等领域的隔热节能方面有广阔的应用前景。

打开封面下载高清视频观看高清视频视频下载器